Nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép bằng mô hình dàn ảo luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Trang ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ DIỄN GIẢI P Lực tác dụng lên cấu kiện M Momen chịu uốn của cấu kiện υcf Ứng suất cắt trung bình Es Mô đun đàn hồi của cốt thép Ec Mô đun đàn hồi c

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -

NGUYỄN VŨ TRƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA DẦM

BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỬ DỤNG CỐT SỢI THÉP

BẰNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Mã số: 85.80.201

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- -

NGUYỄN VŨ TRƯỜNG SƠN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA DẦM

BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ SỬ DỤNG CỐT SỢI THÉP

BẰNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Mã số: 85.80.201

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS.TRẦN CAO THANH NGỌC

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Trang i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn của TS.Trần Cao Thanh Ngọc Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này

là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập

từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình thực hiện

TP.Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2019

Tác giả

NGUYỄN VŨ TRƯỜNG SƠN

Trang ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS.TRẦN CAO THANH NGỌC đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Tôi xin cảm ơn các quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo sau Đại học trường Đại học Giao Thông Vận Tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận Tải, lãnh đạo khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã tạo điều kiện để tôi được học tập và nghiên cứu

Trang iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1.1- TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

1.3- PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

1.4- MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.5- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.6- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

1.6.1- Ý nghĩa khoa học: 2

1.6.2- Ý nghĩa thực tiễn: 2

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

2.1- BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 3

2.2- TƯƠNG TÁC GIỮA SỢI VÀ VẬT LIỆU NỀN 5

2.2.1- Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền 5

2.2.1.1- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi chưa nứt: 6

2.2.1.2- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi đã nứt: 7

2.2.1.3- Quá trình phát triển vết nứt: 9

2.3- MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI 10

2.3.1- Kiểu sợi 10

2.3.1.1- Tỷ lệ giữa chiều dài sợi và đường kính sợi (l/d) 11

2.3.1.2- Tính chất liên kết 11

2.3.1.3- Uốn móc hai đầu và thay đổi đường kính sợi 11

2.3.1.4- Cơ chế phá hủy 11

2.3.2- Hàm lượng sợi 11

2.3.3- Sự định hướng sợi 12

2.3.4- Cốt liệu lớn nhất 12

2.3.5- Tính chất của bê tông tươi có trộn sợi thép 12

2.3.6- Tính công tác 12

Trang iv

2.3.7- Khả năng đầm chặt 13

2.3.8- Tính chất của bê tông cốt sợi thép đã hóa cứng 13

2.3.8.1- Sự biến dạng đàn hồi 15

2.3.8.2- Nứt 15

2.3.8.3- Ứng suất kéo 16

2.3.8.4- Ứng suất nén 20

2.3.8.5- Ứng suất cắt 20

2.3.8.6- Tính dẻo 21

2.3.8.7- Độ bền chịu va đập 22

2.3.8.8- Tác dụng của nhiệt độ cao 22

2.3.8.9- Co ngót 23

2.3.8.10- Ăn mòn sợi thép 23

2.4- CƠ SỞ TÍNH TOÁN BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 23

2.4.1- Xác định các đặc tính của bê tông cốt sợi đồng phương: 25

2.4.1.1- Trường hợp sợi có chiều dài liên tục 25

2.4.1.2- Trường hợp sợi có chiều dài ngắn 26

2.4.2- Xác định các đặc tính của bê tông cốt sợi phân tán 29

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

3.1- MÔ HÌNH GIÀN ẢO 31

3.1.1- Khái niệm chung: 31

3.1.1.1- Vùng B: 31

3.1.1.2- Vùng D: 31

3.2- Xác định vùng B và D 32

3.2.1- Các nguyên tắc chung để xác định vùng D 32

3.3- Mô hình tính toán 33

3.3.1- Các giả thiết cấu tạo và nguyên lý chung lập mô hình giàn ảo 33

3.3.1.1- Các giả thiết 38

3.3.1.2- Các bước chung để thành lập một mô hình giàn ảo 40

3.3.1.3- Định hướng và tối ưu hóa mô hình giàn ảo 40

3.3.1.4- Xác định lực trong mô hình giàn ảo siêu tĩnh 41

Trang v

3.3.2- Cơ sở tính toán 41

3.3.2.1- Cường độ của thanh chống 41

3.3.2.2- Cốt thép của thanh chống 43

3.3.2.3- Chi tiết cốt thép thanh chống 43

3.3.2.4- Cường độ của thanh giằng 44

3.3.2.5- Chi tiết cốt thép thanh giằng 44

3.3.2.6- Cường độ của vùng nút 45

3.3.3- Một số mô hình giàn ảo cơ bản 46

3.4- KẾT CẤU CỦA MÔ HÌNH GIÀN ẢO 47

3.5- PHÂN BỐ CỐT THÉP ĐAI 47

3.6- THÀNH PHẦN LỰC CẮT VCZ, VAY VÀ VD 48

3.7- VÙNG QUẠT CHỊU NÉN VÀ VÙNG CHỊU NÉN 48

3.8- ĐƠN GIẢN HÓA MÔ HÌNH GIÀN ẢO 49

PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68

5.1- KẾT LUẬN: 68

5.1.1- Nguyên tắc tính toán: 68

5.1.2- Phương pháp tính toán 68

5.1.3- Kết quả tính toán 68

5.2- KIẾN NGHỊ 69

5.2.1- Trong công tác thiết kế: 69

5.2.2- Trong công tác chuẩn đoán kết cấu: 70

5.2.3- Trong thi công xây dựng: 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….……….71

Hình 2.4 Mặt phân cách của vật liệu nền – sợi khi vật liệu nền chưa nứt

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.17 6

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt – chuyển vị

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.17 7

Hình 2.8 Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông cốt sợi

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.23 10

Hình 2.9 Tương quan giữa thể tích lỗ rỗng khí và hàm lượng cốt sợi

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.30 13

Hình 2.10 Ảnh hưởng của sợi thép dựa vào mô đun đàn hồi

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.33 15

Hình 2.11 Quan hệ giữa ứng suất kéo và biến dạng hoặc bề rộng vết nứt

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.35 16

Hình 2.16 Biểu đồ cường độ ban đầu của bê tông cốt sợi thép

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.39 20

Hình 2.20 Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào bê tông cốt sợi ngắn

Nguồn: NXB Xây dựng (2010), “Bê tông cốt sợi thép”, tr.47 26

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 33

Hình 3.2 Tải trọng vùng không liên tục về mặt hình học

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 33

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 36

Hình 3.6 Hiệu quả của việc mở rộng vùng nút đến sự phân bố lực

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 37

Hình 3.7 Các loại nút cơ bản

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 38

Trang viii

Nguồn: NXB Xây dựng (2005), “Tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo”, tr.10

Hình 3.9 Thanh chống hình chai và Mô hình giàn ảo

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 42

Hình 3.10 Hai lớp cốt thép đi qua một vùng thanh chống bị nứt

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 43

Hình 3.11 Vùng nút mở rộng của mô hình neo hai thanh giằng

Nguồn: ACI 318-08, Appendix A – Strut and Tie Models 45

Trang ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ DIỄN GIẢI

P Lực tác dụng lên cấu kiện

M Momen chịu uốn của cấu kiện

υcf Ứng suất cắt trung bình

Es Mô đun đàn hồi của cốt thép

Ec Mô đun đàn hồi của bê tông

Ef Mô đun đàn hồi của sợi thép

Efc Mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi thép

s

 Biến dạng của cốt thép chịu kéo

'

s

 Biến dạng của cốt thép chịu nén

εmu Biến dạng cực đại của vật liệu nền

σc Ứng suất trong bê tông

σf Ứng suất trong sợi thép

σn Ứng suất trong nền bê tông cốt sợi thép

σfu Cường độ chịu kéo tới hạn của sợi thép

σfc Ứng suất trong vùng đàn hồi

σcr Ứng suất tới hạn

τ Ứng suất trượt

fck Cường độ chịu nén của bê tông

fct Cường độ chịu kéo của bê tông

y

f Cường độ chịu kéo của cốt thép

lf Chiều dài sợi thép

ln Chiều dài neo tối thiểu của sợi thép

df Đường kính sợi thép

Ac Diện tích tiết diện ngang của bê tông

Af Diện tích tiết diện ngang tổng cộng của sợi thép

An Diện tích tiết diện ngang của nền bê tông cốt sợi thép

As, A’s Diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo và chịu nén

Vn Thể tích của vật liệu nền

Vf Thể tích của sợi thép

Trang 1

MỞ ĐẦU

1.1- TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ngành xây dựng luôn gắn liền với sự phát triển của đất nước Trong những năm gần đây nhu cầu xây dựng ngày càng tăng, các công trình ngày càng có quy mô lớn, kết cấu phức tạp và có xu thế hướng tới việc xây dựng bền vững Vì vậy, đòi hỏi chúng ta phải không ngừng phát triển về mặt khoa học, công nghệ để áp dụng vào thực tế Như chúng ta đã biết bê tông chịu nén tốt và chịu kéo kém nên để tăng khả năng chịu kéo của cấu kiện người ta thường kết hợp bê tông với thép để tận dụng khả năng chịu nén của bê tông và chịu kéo của cốt thép Đối với bê tông cốt thép thông thường thì nguyên nhân dẫn đến xuất hiện vết nứt thì rất nhiều nhưng cốt lõi là khả năng chịu kéo của bê tông ở vùng kéo, khả năng liên kết dính bám giữa các hạt cốt liệu, ngoài ra còn do co ngót và từ biến, do tải trọng động, .và thường là phá hoại giòn, và tuổi thọ

có hạn

Do đó, cần nghiên cứu một cấu kiện mới để khắc phục được những nhược điểm của bê tông cốt thép truyền thống sao cho: khả năng chịu lực cao hơn, dẻo hơn, ổn định hơn, bám dính tốt, chịu được tải trọng động tốt hơn và có tuổi thọ lâu hơn Bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép là cấu kiện mới cần hướng đến để nghiên cứu Trong đó một yếu tố rất quan trọng, có liên quan mật thiết và ảnh hưởng đến mục tiêu nghiên cứu

là khả năng kháng cắt của bê tông

Vì vậy, Nghiên cứu khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép là cần thiết để khắc phục những nhược điểm của bê tông cốt thép thông thường, nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, đáp ứng yêu cấp thiết của thời đại từ đó đưa ra kết luận và khuyến cáo áp dụng vào thực tế để phát huy được tối đa ưu điểm của cấu kiện mới

1.2- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép

Trang 2

Xác định khả năng kháng cắt của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép Làm rõ ưu, nhược điểm của dầm bê tông cốt thép có sử dụng cốt sợi thép

Vận dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế

1.5- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Tính toán theo mô hình giàn ảo kết hợp với các kết quả các nghiên cứu đã được thí nghiệm

1.6- Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Trang 3

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1- BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

Bê tông sợi thép (SFRC) là hỗn hợp gồm vữa xi măng, cốt liệu mịn, cốt liệu thô

và sợi thép Dưới tác dụng của lực kéo, bê tông sợi thép sẽ bị phá hoại khi sợi thép bị

đứt gãy hoặc bị kéo tuột ra khỏi bê tông (Hình 2.1)

Hình 2.1 Sự phá hủy của bê tông sợi thép

Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tông có chiều dài từ 7 đến 80mm, tỉ lệ chiều dài trên đường kính từ 20 đến 100; Cường độ chịu kéo trong khoảng 345-1380 Mpa, mô đun đàn hồi khoảng 200Gpa; Sợi thép có nhiều hình dạng khác nhau: dạng

thẳng, dạng có gờ và dạng lượn sóng Hình 2.2

Khả năng bám dính và cường độ là hai đặc tính quan trọng của sợi thép Khả năng bám dính phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính thép và dạng hình học của sợi

Đặc tính của bê tông sợi thép phụ thuộc vào đặc tính của bê tông (cường độ và mô đun đàn hồi), đặc tính của sợi thép (hàm lượng, cường độ, mô đun đàn hồi và khả năng bám dính của sợi thép)

Trang 5

chịu kéo của bê tông (30% đến 40%) Ngoài ra, khả năng kháng cắt có thể tăng đến 30% ứng với hàm lượng sợi thép 1%

Việc bổ sung sợi thép vào trong bê tông có thể thay đổi tính chất của bê tông đáng

kể vì chúng ảnh hưởng đến tính chất của bê tông cả ở trạng thái tươi lẫn trạng thái rắn Đóng góp chính của các sợi thép là sự cải thiện tính chất của bê tông đông cứng Tuy nhiên, sự cải thiện đạt được khi sử dụng cốt sợi thép đã kéo theo một số công việc bổ sung khi xử lý nó Phạm vi cải thiện bởi việc thêm cốt sợi thép làm thay đổi tính chất của bê tông bị phụ thuộc kiểu sợi, đặc trưng hình học của sợi, hàm lượng sợi trong bê tông và sự định hướng sợi trong bê tông cũng như bởi sự liên kết giữa bê tông và sợi thép

2.2- TƯƠNG TÁC GIỮA SỢI VÀ VẬT LIỆU NỀN

2.2.1- Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền

Sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền là vấn đề cơ bản tạo ra chất lượng của bê tông cốt sợi, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền như:

- Điều kiện, trạng thái của vật liệu nền: khi chưa nứt hay đã nứt

- Hỗn hợp: thành phần vật liệu nền

- Hình dạng, loại sợi, đặc điểm bề mặt, độ cứng và tính chất của sợi

- Hướng sợi: đẳng hướng hay ngẫu nhiên

- Tỉ lệ thể tích sợi sử dụng

- Tính bền của sợi khi làm việc lâu dài trong bê tông cốt sợi

- Quá trình truyền tải trọng từ vật liệu nền sang sợi

Khi bê tông bị kéo dưới các tải trọng khác nhau, bao gồm cả quá trình mỏi thì các vết nứt vi mô sẽ lan rộng theo bề mặt của cốt liệu và một phần ở khối bê tông xung quanh cốt liệu Các sợi thép tăng cường giới hạn chịu kéo có thể gây ra nứt ban đầu trong hỗn hợp Tuy nhiên, mức độ tăng cường còn phụ thuộc số lượng và sự hiệu quả của sợi thép tại vùng có thể xuất hiện đỉnh vết nứt

Mô phỏng sự tương tác giữa sợi và vật liệu nền dựa trên hình dạng của lực kéo tuột đơn giản (Hình 2.3)

Trang 6

Hình 2.3 Mô hình sự kéo tuột sợi tại bề mặt liên kết giữa sợi và

vật liệu nền của bê tông cốt sợi

2.2.1.1- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi chưa nứt:

Dạng tương tác này xảy ra trong hầu hết bê tông cốt sợi trong suốt giai đoạn tác

dụng của tải trọng ban đầu Trong giai đoạn không có tải trọng, ứng suất trong cả sợi và

vật liệu nền được giả thiết bằng không; Trong vật liệu nền xi măng sự hydrat hóa của xi

măng sẽ gây ra tăng ứng suất trong sợi và vật liệu nền Khi vật liệu nền chịu tải trọng,

một phần tải trọng được truyền qua sợi, bởi vì sợi và vật liệu nền có độ cứng khác nhau

nên ứng suất trượt phát triển dọc theo bề mặt sợi Nếu sợi có độ cứng lớn hơn độ cứng

của vật liệu nền thì sự mất liên kết trên bề mặt sợi và xung quanh sợi sẽ nhỏ như hình:

Hình 2.4 Mặt phân cách của vật liệu nền – sợi khi vật liệu nền chưa nứt:

a) Chưa chất tải; b) Vật liệu nền chịu kéo; c) Vật liệu nền chịu nén

Sự truyền ứng suất đàn hồi hiện diện trong bê tông cốt sợi chưa nứt cũng như có

trong vật liệu nền và sợi trong giai đoạn đàn hồi Hiệu ứng, ứng suất- biến dạng đối với

vật liệu nền có thể đưa ra khả năng phi đàn hồi và phi tuyến tính trước khi vật liệu bị

phá hỏng Sự chuyển đổi từ truyền ứng suất đàn hồi trước khi mất liên kết sang sự truyền

ứng suất ma sát sau khi mất liên kết là một quá trình diễn ra chậm và hai quá trình trên

cùng ảnh hưởng lẫn nhau Sự mất liên kết có thể xảy ra trước khi có vết nứt đầu tiên của

Trang 7

vật liệu nền và vì vậy ảnh hưởng kết hợp của hai quá trình này tác động đến hình dạng của đường cong ứng suất – biến dạng trước khi vật liệu nền bị nứt

Hình 2.5 Sơ đồ biểu diễn ứng suất trượt – chuyển vị

Sự chuyển đổi của ứng suất đàn hồi sang ứng suất trượt ma sát

Nếu ứng suất kéo lớn thì việc mất liên kết có thể xảy ra trước khi vật liệu nền nứt, nếu ứng suất kéo nhỏ thì quá trình nứt vật liệu nền sẽ xảy ra trước khi mất liên kết Như vậy, mọi vấn đề truyền ứng suất đều bị ảnh hưởng của các hiện tượng: truyền ứng suất trượt đàn hồi, ứng suất trượt ma sát, sự mất liên kết và ứng suất biến dạng bình thường

Hình 2.6 Mô tả sợi trong vật liệu nền – biến dạng và ứng suất xung quanh sợi:

a) Dạng hình học biến dạng của vật liệu nền xung quanh sợi trước và sau khi tải tác dụng; b) Phân bố ứng suất trượt đàn hồi tại mặt phân cách và phân bố ứng suất kéo

2.2.1.2- Tương tác giữa sợi và vật liệu nền khi đã nứt:

Tác dụng chủ yếu của sợi trong bê tông cốt sợi sau khi vật liệu nền nứt là sợi sẽ bắc cầu qua vết nứt để truyền tải trọng qua vết nứt và vì vậy ngăn ngừa được sự phá hủy

Trang 8

Sự bắc cầu của sợi xuyên qua vết nứt để truyền tải trọng thông thường được đánh

giá bởi thí nghiệm về kéo tuột nhằm mục đích:

- Làm nền tảng cho dự đoán tính chất của bê tông cốt sợi trong vùng đã nứt

- Phân tích cơ chế bám dính và xác định sự liên quan của cơ chế truyền ứng suất

trượt ma sát và đàn hồi

Hình 2.7.a Phân bố ứng suất trượt tại mặt phân cách dọc theo giao điểm của vết nứt

với sợi ngay sau khi nứt

Hình 2.7.b Hình dạng sợi bị mất bám dính một phần và

ứng suất trượt tại mặt phân cách

Việc xuất hiện vết nứt đầu tiên trong bê tông cốt sợi có ảnh hưởng lớn đến cường

độ và độ dẻo dai Nếu muốn ngăn chặn sự phá hoại trong giai đoạn này thì khả năng chịu tải của sợi phải lớn hơn tải trọng tác dụng lên bê tông cốt sợi tại vết nứt đầu tiên:

σfuVf > EmεmuVm + EfεmuVf Trong đó:

- Vm là thể tích của vật liệu nền

- Vf là thể tích của sợi sử dụng

- Em là mô đun đàn hồi của vật liệu nền

- Ef là mô đun đàn hồi của vật liệu sợi

- σfu là cường độ kéo tới hạn của sợi

- εmu là biến dạng cực đại của vật liệu nền

Vết nứt đầu tiên xảy ra trong bê tông cốt sợi sẽ không dẫn đến phá hoại và sẽ có một sự phân phối lại tải trọng tác dụng lên sợi và vật liệu nền có nghĩa là tải trọng tác dụng lên vật liệu nền trong vùng có vết nứt sẽ chuyển qua sợi Tiếp tục tăng tải sẽ làm cho vết nứt tăng dần cho đến khi vật liệu nền bị phân thành nhiều mảnh

Trang 10

Hình 2.8 Sơ đồ ứng suất biến dạng của bê tông cốt sợi

Khi quá trình phát triển vết nứt không tăng nữa, vật liệu nền bị chia bằng nhiều vết nứt song song thì bất kỳ lực kéo nào thêm sẽ gây ra kéo giãn hay kéo tuột sợi Vì vậy, khả năng cơ học của bê tông cốt sợi được mô tả ở 3 trạng thái của đường cong ứng suất – biến dạng:

(1) Giới hạn đàn hồi, đạt đến điểm nứt đầu tiên: vật liệu nền và sợi là đàn hồi tuyến tính

(2) Quá trình phát triển vết nứt mà biến dạng trong bê tông cốt sợi vượt qua biến dạng cho phép của vật liệu nền

(3) Giai đoạn sau vết nứt, trong suốt giai đoạn này sợi bị kéo giãn hay kéo tuột ra khỏi vật liệu nền

2.3- MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI

2.3.1- Kiểu sợi

Sự neo cơ học do hình dạng của sợi thép làm tăng cường liên kết giữa xi măng và sợi thép có tác động khi ứng suất trong bê tông lớn hơn sức liên kết bề mặt Với các sợi thẳng, chiều dài cần thiết của sợi thép để cung cấp đủ diện tích tiếp xúc phát triển ứng suất kéo trong sợi thép có thể trở nên quá lớn Với các sợi uốn cong liên tục thì khả năng xuất hiện vết nứt ban đầu ở vùng chính giữa của phần tử sợi là thấp, khoảng cách từ vết nứt đến cuối sợi là rất ngắn

Trang 11

Sợi uốn cong liên tục cung cấp một cơ cấu neo cơ học rõ ràng quanh vị trí phát triển vết nứt, dẫn đến một sức kháng lớn hơn và sự phân bố lại ứng suất trong khối bê tông bao quanh Những hiệu ứng như trên ảnh hưởng đáng kể đến những đặc trưng của

bê tông gia cường cốt sợi thép

2.3.1.1- Tỷ lệ giữa chiều dài sợi và đường kính sợi (l/d)

Tỷ lệ hướng sợi là tham số tiêu biểu của mỗi kiểu sợi và có một ảnh hưởng quan trọng đối với sự làm việc của sợi trong bê tông Tỷ lệ l/d lớn sẽ làm tăng khả năng bám dính và kéo tuột của sợi sẽ cải thiện khả năng chịu kéo khi uốn của sợi nhưng sẽ làm cho việc trộn bê tông khó khăn hơn

2.3.1.2- Tính chất liên kết

Tải trọng kéo tuột sợi hoặc đứt gãy trực tiếp bị ảnh hưởng bởi sự truyền ứng suất liên kết từ vật liệu nền đến sợi và độ dài neo của sợi Ứng suất liên kết ảnh hưởng đến quá trình xuất hiện vết nứt đầu tiên và sự làm việc của be tông cốt sợi thép trong cơ chế phá hủy

Khả năng chịu ứng suất liên kết của sợi phụ thuộc vào trạng thái tự nhiên của bề mặt sợi Bề mặt nhám làm tăng khả năng liên kết giữa sợi và nền bê tông

2.3.1.3- Uốn móc hai đầu và thay đổi đường kính sợi

Việc uốn móc đầu sợi làm tăng khả năng làm việc của sợi và không làm chậm quá trình hình thành vết nứt Tác dụng của việc uốn móc đầu sợi không bắt đầu cho đến khi cường độ liên kết vượt quá giới hạn cho phép và xuất hiện sự chuyển dịch giữa nền bê tông và sợi Việc uốn móc đầu sợi có thể tăng thêm đáng kể tính dẻo của bê tông cốt sợi thép

Trang 12

2.3.3- Sự định hướng sợi

Các sợi thép có nhiệm vụ ngăn ngừa sự hình thành và phát triển vết nứt Sợi sẽ phát huy tối đa khả năng chịu lực nếu sợi nằm dọc theo phương ứng suất kéo tại vị trí vết nứt Nếu sợi chéo qua vết nứt ở tại một góc xiên thì sợi thép ít hiệu quả quả hơn Sự mất mát này được xét đến trong quá trình tính toán thông qua các điều kiện sử dụng và

hệ số định hướng

2.3.4- Cốt liệu lớn nhất

Kích thước của những hạt cốt liệu ảnh hưởng đến sự phân phối của sợi và sự định hướng sợi Sợi trong vữa chỉ được phân ra bởi vật liệu mịn có thể di chuyển tự do giữa các sợi; các hạt cốt liệu lớn giữa những sợi gây ra sự phân bố không đều của sợi, hiệu ứng này tăng tỉ lệ trực tiếp với kích thước hạt và gây tác động không tốt đối với tính chất của cả bê tông tươi lẫn bê tông rắn

2.3.5- Tính chất của bê tông tươi có trộn sợi thép

Bê tông cốt sợi khó trộn lẫn và khó đổ hơn bê tông thường; có nhiều phương pháp trộn tuy nhiên các phương pháp vẫn phải đảm bảo tính chất của bê tông cốt sợi thép Sự sai lầm có thể dẫn đến kết quả là phá hoại thành phần của bê tông và như vậy sẽ gây mất mát cường độ và tính dẻo của bê tông Những tham số ảnh hưởng đến tính chất của quá trình trộn bê tông tươi: kiểu sợi, hàm lượng sợi, cốt liệu lớn nhất, phương pháp đưa sợi vào quá trình trộn; các tham số này được xác định bằng thực nghiệm và có thể điều chỉnh bằng cách thêm vào bê tông phụ gia hóa dẻo hoặc phụ gia siêu dẻo

2.3.6- Tính công tác

Tính công tác trong quá trình trộn, đổ và đầm chặt bê tông Đặc trưng hình học của các sợi thép và lượng nước cần thiết là một vấn đề ảnh hưởng mật thiết tới tính công tác của bê tông cốt sợi Phần này sẽ giải quyết vấn đề làm giảm độ sệt của bê tông thông qua đột sụt của bê tông

Độ sệt giảm bớt với hàm lượng ngày càng tăng thì đến một giới hạn nào đó sự phân phối sợi trong bê tông trong quá trình trộn sẽ không đạt được kết quả như mong muốn Ngoài ra, nhiều sợi sẽ bị vón cục và tạo thành những khối cầu nếu quá trình trộn không liên tục, hoặc sợi hoặc hàm lượng cốt liệu thô trong quá trình trộn cao quá Đối với bê tông phun và bê tông bơm bằng vòi, hiện tượng này sẽ làm tắc nghẽn vòi phun, vòi bơm gây hậu quả nghiêm trọng và gián tiếp ảnh hưởng đến chất lượng của công trình Một vấn đề còn quan trọng hơn là nếu cốt sợi bị vón cục trong quá trình đổ thì sẽ

Trang 13

gây ra hiện tượng không đồng nhất về vật liệu, gây ra những hậu quả không lường trước được Vì vậy, tính công tác của bê tông cốt sợi thép có vị trí rất quan trọng đối với chất lượng của vật liệu này

2.3.7- Khả năng đầm chặt

Bê tông cốt sợi thép yêu cầu nhiều năng lượng đầm chặt hơn bê tông thông thường Nếu cùng một thời gian đầm chặt, người ta thay đổi hàm lượng sợi thì số lượng lỗ rỗng tăng tỉ lệ với hàm lượng sợi ngày càng tăng Để giảm lượng lỗ rỗng do không khí trong

bê tông thì thời gian đầm nén phải tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng sợi Tuy nhiên, thậm chí khi được đầm chặt thì hàm lượng lỗ rỗng khí trong bê tông cốt sợi thép vẫn cao hơn

so với bê tông thông thường và quá trình đầm nén có thể ảnh hưởng sự định hướng sợi

Hình 2.9 Tương quan giữa thể tích lỗ rỗng khí và hàm lượng cốt sợi

Khi bê tông cốt sợi thép được sử dụng quá trình phun bê tông, quá trình đầm nén đạt được thông qua năng lượng tác động Có một sự khác biệt nhỏ là hàm lượng lỗ rỗng khí giảm đi khoảng 1% so với bê tông cốt sợi thép được đầm bằng phương pháp thông thường

2.3.8- Tính chất của bê tông cốt sợi thép đã hóa cứng

Các sợi thép đem lại cho bê tông nhiều tính chất ưu điểm, một hệ thống 2 pha của

bê tông và sợi thép là một hệ thống đàn hồi – dẻo Ưu điểm chính của hệ này là sự phát triển của khả năng chịu tải trước và sau khi hình thành vết nứt trong cấu kiện bê tông, khác hẳn so với tình trạng của bê tông thường sau khi đã có vết nứt đầu tiên

Trong các ứng dụng làm mặt đường, mặt sàn, làm cấu kiện đúc sẵn, làm bê tông phun, các ứng suất trong bê tông được phân bố ngẫu nhiên và bị ảnh hưởng bởi các điều kiện đặt tải động học Do đó, không thể xác định trường ứng suất thực tế và đặt một hay

Trang 14

hai lớp cốt thép ở những vị trí cố định trong khi ứng suất thay đổi từ trên đỉnh đến đáy cấu kiện Các điều kiện đặt tải như tải trọng chu kỳ, biến đổi nhiệt độ, lực cắt, lực xung kích, co ngót đã phát triển sự phân bố ngẫu nhiên ứng suất trong bê tông

Sự phân bố ngẫu nhiên các sợi thép trong bê tông đảm bảo rằng ứng suất được phân bố lại trong toàn khối vật liệu nền bê tông Các vi vết nứt mà có thể phát triển thêm do ứng suất sẽ bị các sợi thép ngăn chặn lại trong toàn thể tích vật liệu bê tông cốt sợi thép của cấu kiện trước khi phát triển thành các vết nứt lớn hơn mà có thể gây ra hư hại cho kết cấu

Bảng 2.1 Các tính chất vật lý của bê tông cốt sợi thép

Các tính chất vật lý Hiệu quả thu được

Mô đun phá hoại gây nứt Bằng gấp 1 đến 2 lần so bới bê tông thường Cường độ chống cắt Bằng gấp 1,25 đến 2 lần so bới bê tông

thường Cường độ chống xoắn Bằng gấp 1,25 đến 2 lần so bới bê tông

thường Khả năng hấp thụ năng lượng va chạm Bằng gấp 2 đến 15 lần so bới bê tông

thường

Độ bền chịu mỏi Bằng gấp 1,2 đến 2 lần so bới bê tông

thường Các vết nứt do co ngót bị kiềm chế Giảm bề rộng vết nứt

Tính chất của bê tông đông cứng được cải thiện một cách đáng kể thông qua việc thêm một thể tích thích hợp sợi thép Sợi sẽ làm việc hiệu quả quả nếu chúng được liên kết theo phương của ứng suất kéo chủ và khoảng cách giữa các sợi càng nhỏ càng tốt Nhân tố quan trọng nhất đối với sự hình thành vết nứt chính là khoảng cách cực đại thực

tế giữa các sợi Như vậy, phân phối và định hướng sợi phải càng đồng dạng càng tốt bởi

vì như vậy sẽ sản sinh tính chất đồng nhất vĩ mô và tính chất đẳng hướng trong vật liệu Đấy chính là ảnh hưởng của các sợi thép có thể được khai thác trong thực hành, trong khi thực tế không thể thực hiện được việc kiểm tra toàn diện một kết cấu xây dựng Các sợi thép ảnh hưởng đến cường độ kéo, cường độ cắt và nén, tính chất của vết nứt và quá trình biến dạng của bê tông Những sự biến đổi thành phần khác trong quá trình trộn bê tông hoặc quá trình sử dụng bê tông có thể ảnh hưởng quan trọng trong tính chất này Đặc trưng hình học của những cấu kiện và điều kiện thí nghiệm cũng có ảnh hưởng quan trọng và phải được tính đến bằng các hệ số tính toán

Trang 15

Như bê tông thông thường, những ảnh hưởng của môi trường ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của bê tông đông cứng Ảnh hưởng này có thể xuất hiện do sự bốc hơi nước bề mặt, do quá trình rửa trôi bề mặt ngoài, do tải trọng xung kích, tải trọng lặp hay các tác động hóa học khác Nếu bỏ qua quá trình bảo dưỡng bê tông dưới những tác động trên có thể rất làm suy yếu tính chất của bê tông đông cứng Như vậy, bảo dưỡng

có một vị trí rất quan trọng để đảm bảo chất lượng bê tông

2.3.8.1- Sự biến dạng đàn hồi

Trong trạng thái đàn hồi không nứt nẻ, tác dụng của sợi trong quá trình biến dạng

là cực tiểu Trong trường hợp hàm lượng sợi thông thường (<= 1% thể tích), hàm lượng cốt sợi thép trong mặt cắt ngang không đáng kể để tạo nên một ảnh hưởng quan trọng đến tính chất bê tông dù mô đun đàn hồi của thép cao hơn

Hình 2.10 Ảnh hưởng của sợi thép dựa vào mô đun đàn hồi

Khi hàm lượng sợi là 8% trọng lượng, mô đun đàn hồi sẽ tăng nhiều nhất khoảng 5% Đối với chiều dài sợi chưa đạt độ dài giới hạn, thì mô đun đàn hồi sẽ tăng thấp hơn Như vậy, những tiêu chuẩn về mô đun đàn hồi và hệ số Poison của bê tông có cốt

sẽ được tìm thấy trong những tiêu chuẩn có thể cũng được áp dụng trong tính toán những cấu kiện xây dựng sử dụng bê tông cốt sợi thép

2.3.8.2- Nứt

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sự tồn tại các sợi thép trong vật liệu này là chúng

có thể tác động và làm chậm quá trình phát triển vết nứt và khi vết nứt mở rộng, cấu kiện sẽ phân phối lại tải trọng trong vùng nứt Như vậy, các sợi thép ảnh hưởng đáng

Trang 16

kể đến trạng thái biến dạng phụ thuộc hình dạng kiểu sợi và hàm lượng sợi, mặt khác còn phụ thuộc vào tính chất của tải trọng, ví dụ tải trọng gây uốn sẽ gây ra biến dạng dẻo, trong khi cùng điều kiện đó tải trọng đúng tâm sẽ gây ra sự phá hủy đột ngột Các sợi thép cũng cải thiện quá trình phân phối vết nứt Số lượng vết nứt tăng thêm nhưng chiều rộng và khoảng cách giữa các vết nứt sẽ giảm đi Trong trường hợp chịu tác động của tải trọng gây uốn, sự phân phối vết nứt trong bê tông cốt sợi thép tốt hơn bê tông cốt thép thông thường nếu hàm lượng sợi đủ Việc tăng cường cốt sợi chủ yếu làm tăng thêm cường độ sau nứt của bê tông còn đối với cường độ trước khi nứt là không đáng kể Cường độ trước khi nứt chủ yếu được xác định bởi số lượng của sợi chứ không phải bởi kiểu sợi

Trạng thái sau phá hủy của bê tông cũng được cải thiện một cách đáng kể Biến dạng khi phá hủy tăng lên tới 10 lần đối với vật liệu nền thông thường Như vậy sẽ làm cho khả năng làm việc của bê tông cốt sợi thép tăng thêm đáng kể

2.3.8.3- Ứng suất kéo

Có sự khác nhau giữa ứng suất do lực kéo đúng tâm, ứng suất do mô men uốn gây ra từ đó dẫn đến trạng thái biến dạng khác nhau Thông qua các thí nghiệm, người

ta mới có thể đánh giá các tính chất vật liệu được trực tiếp ứng dụng trong cấu kiện

a, Ứng suất do lực kéo đúng tâm:

Ban đầu, bê tông cốt sợi thép chịu tác động của ứng suất kéo đúng tâm mang tính chất đàn hồi tuyến tính Với sự hình thành những vết nứt vi mô ứng suất được tập trung trên sợi trong nền vật liệu

Hình 2.11 Quan hệ giữa ứng suất kéo và biến dạng hoặc bề rộng vết nứt

Trang 17

Hình 2.12 Đặc trưng tải trọng – biến dạng uốn trong thí nghiệm kéo đúng tâm với

tải trọng phân kỳ a) Đường cong trước khi nứt; b) Đường cong sau khi nứt; c) Sự giảm bớt và sự xét lại

tải trọng khi vết nứt xuất hiện

Cơ chế chuyển đổi này có thể được thông qua quá trình tăng biến dạng tải trọng đạt tới giá trị cực đại Khi tải trọng cực đại làm cho biến dạng tăng lên xấp xỉ 0.1‰ làm vết nứt hình thành và cường độ kéo suy giảm

Hình 2.13 Biểu đồ tải trọng – biến dạng trong thí nghiệm kéo đúng tâm đối với bê

tông cốt sợi thép với tải trọng phân kỳ

- 𝛽𝑓𝑏,𝑍𝐼 : Cường độ kéo trước khi hình thành vết nứt

- 𝛽𝑓𝑏,𝑍𝐼𝐼 : Cường độ kéo sau khi hình thành vết nứt

- 𝛽𝑏,𝑍 : Cường độ kéo của bê tông thông thường

- 𝛽𝑊𝑁 : Cường độ danh định trong thí nghiệm mẫu lập phương

- K1 : Hệ số giảm khả năng ép (nén) vì sự có mặt của các sợi thép Giá trị này giữa 0.9 và 1.0 cho loại sợi thẳng và nhẵn

- K2 : Hệ số cho trạng thái định hướng và liên kết sợi Giá trị này giữa 0.2 và 0.3 cho loại sợi thẳng và nhẵn

- K3 : Hệ số cho tính chất liên kết sợi, sự định hướng sợi và tính cứng cáp của sợi

b, Ứng suất do uốn gây ra:

Hình 2.14 Sự phân phối lại ứng suất trong bê tông cốt sợi thép khi chịu tải trọng uốn

Trang 19

Ứng suất do uốn gây ra khác với ứng suất do lực kéo đúng tâm gây ra về quá

trình biến dạng Khi chịu tải trọng đúng tâm, toàn bộ mặt cắt tiết diện cùng tham gia

chịu lực, trong trường hợp chịu mô men uốn, mặt cắt ngang tiết diện phân làm 2 vùng

kéo và nén Như vậy, bê tông cốt sợi thép sẽ phát huy tác dụng trong trường hợp kết

cấu chịu uốn Đối với cấu kiện bê tông cốt thép thông thường khi mô men uốn tăng lên

thì trục trung hòa của tiết diện sẽ nâng dần lên, diện tích tiết diện chịu nén sẽ giảm

dần, trong thớ chịu kéo ứng suất kéo đạt đến cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông và

vết nứt hình thành, mở rộng đến giá trị cực đại và kết cấu bị phá hoại Nhưng đối với

bê tông cốt sợi thép, khi ứng suất kéo trong thớ bê tông chịu kéo đạt đến giá trị cực

đại, vết nứt xuất hiện thì cốt sợi thép sẽ tham gia ngăn cản sự phát triển vết nứt làm

tăng khả năng chịu kéo của cấu kiện và lúc này một sự cân bằng mới được thiết lập

Hình 2.15 Biểu đồ độ võng – tải trọng trong thí nghiệm chịu uốn

của bê tông cốt sợi thép

Không giống bê tông thông thường, bê tông cốt sợi thép có khả năng chịu tải

trọng tốt hơn Đối với bê tông thường thì sự phá hủy xuất hiện sau khi vết nứt vượt quá

giới hạn cho phép

c, Ứng suất chẻ

Gia cường sợi thép trong bê tông làm cho cường độ nứt bị phân chia khi kết cấu

chịu cường độ kéo đúng tâm Cường độ vết nứt được cải thiện khoảng 30% khi hàm

lượng sợi khoảng 8% trọng lượng Khả năng chịu chịu tải giảm mạnh khi ứng suất chẻ

vượt quá giới hạn cho phép

Trang 20

2.3.8.4- Ứng suất nén

Ngay sau quá trình sản xuất bê tông đã có thể chịu lực Trong trạng thái này, xuất hiện sự tăng tương đối trong cường độ vào giai đoạn đầu Trong khi bê tông vẫn còn phát triển cường độ của nó thì các sợi thép đã chống lại sự biến đổi cấu trúc và làm tăng khả năng chịu lực ban đầu của vật liệu

Hình 2.16 Biểu đồ cường độ ban đầu của bê tông cốt sợi thép

Ứng suất nén cực đại của bê tông cốt sợi thép ở trạng thái rắn tăng nhiều so với

bê tông thông thường Hiệu ứng của cốt sợi thép đối với vết nứt đặt cơ sở chủ yếu về việc ngăn ngừa quá trình mở rộng vết nứt hơn là làm tăng khả năng chịu ứng suất nén Tính dẻo của bê tông cốt sợi thép cũng được tăng đáng kể so với trong bê tông thông thường Điều đó rất có lợi trong trường hợp chịu tải trọng động và tải trọng xung kích

2.3.8.5- Ứng suất cắt

Cũng như đối với bê tông thường, cường độ chịu cắt của bê tông cốt sợi thép cũng chính là cường độ chịu kéo của vật liệu Những cấu kiện bê tông cốt sợi thép không tăng cường cốt thép thanh cũng rất khó bị phá hủy dưới tác dụng của ứng suất cắt thông thường mà thực chất sức căng hoặc mô men uốn thông thường là nguyên nhân gây ra sự phá hủy Sự có mặt của cốt thép sợi đã làm tăng đáng kể khả năng chống cắt cho vật liệu với những nhân tố sau:

- Các sợi thép phân tán ngẫu nhiên trong nền vật liệu bê tông và phân bố dày đặc trong kết cấu hơn cốt thép thông thường Như vậy, chúng có thể trực tiếp làm chậm quá trình phát triển vết nứt;

Trang 21

- Các sợi thép làm việc ngay từ vết nứt đầu tiên và tăng cường độ kéo tới hạn của

bê tông

- Cường độ ma sát trượt được tăng lên

- Chiều rộng vết nứt giảm xuống

Cơ sở của quá trình phát triển vết nứt còn do nhiều nguyên nhân khác Tuy nhiên, đây cũng là một sự cải tiến quan trọng đối với quá trình phân phối vết nứt Như vậy, cường độ vết nứt đầu tiên của bê tông cốt sợi thép cao hơn so với bê tông cốt thép thông thường, làm tăng khả năng chống cắt của bê tông, đồng thời có thể tránh được sự phá hủy đột ngột của lực cắt gây ra

2.3.8.6- Tính dẻo

Trong khi bê tông thông thường rất giòn và rất nhanh bị phá hủy, trong nhiều trường hợp ứng suất, thậm chí sau khi đã vượt khỏi tải cực đại và sự biến dạng ngày cang tăng, khả năng chịu tải của bê tông cốt sợi thép vẫn chưa dừng hẳn Tính chất này

có thể được định nghĩa bởi tính dẻo, tương ứng với đoạn sau của đồ thị tải trọng – biến dạng

Hình 2.17 Biểu đồ minh họa sự phát triển tính dẻo phụ thuộc hàm lượng sợi

Trang 22

Đặc biệt, tính dẻo trong dầm chịu uốn rất nổi bật; các dầm khi chịu uốn sẽ không

bị phá hủy đột ngột, vết nứt phát triển chậm hơn rất nhiều và mẫu không phá hủy hoàn toàn Ngược lại, đối với mẫu đối chứng không có cốt sợi thép, phá hủy rất đột ngột, mẫu thử bị phá hủy hoàn toàn

2.3.8.7- Độ bền chịu va đập

Khả năng chịu tác động xung kích va đập của bê tông cốt sợi thép cao hơn đáng

kể so với bê tông thông thường Nguyên nhân là do khả năng chịu kéo và khả năng liên kết giữa cốt sợi thép và vật liệu nền Khi lực xung kích tác động, chúng sẽ được phân nhỏ đến các phần vật liệu Những thí nghiệm kiểm chứng cho thấy rằng khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu tức là phụ thuộc vào hình dạng của sợi và hàm lượng sợi trong vật liệu

Hình 2.18 Mối tương quan giữa hình dạng, hàm lượng sợi với cường độ tác động của

bê tông cốt sợi thép

2.3.8.8- Tác dụng của nhiệt độ cao

Sự có mặt của sợi thép trong bê tông ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt của vật liệu và

có thể làm tăng tính dẫn nhiệt của vật liệu lên đến 40%, mặc dù bê tông cốt sợi thép có

Hình 2.19 Biểu đồ so sánh biến dạng co ngót của các loại bê tông cốt sợi thép

2.3.8.10- Ăn mòn sợi thép

Sự ăn mòn sợi thép là một quá trình xuất hiện khi môi trường hồ xi măng bảo vệ sợi bị phá hủy dưới tác dụng hóa học hoặc nếu các sợi thép tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài tại vị trí vết nứt

2.4- CƠ SỞ TÍNH TOÁN BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP

Áp dụng nguyên lý tính toán cấu kiện bê tông cốt thép thuần túy để tính toán cho

bê tông cốt sợi thép Tuy nhiên, hiệu ứng làm việc của sợi thép cần được tính đến trong

Phương pháp tính toán mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi phân tán tốt nhất là sử dụng theo phương pháp biến đổi cốt sợi từ phân bố hỗn độn sang hướng tương đương theo phương dọc trục sau đó mới tính toán

Mô hình không gian mô tả trạng thái cơ học của bê tông cốt sợi thép có kể đến năng lượng và năng lượng biến dạng của cấu kiện được thể hiện trong phương trình sau:

G = 𝜋𝐾1

𝐸

Trong đó:

- G là năng lượng tới hạn (N/mm)

- E là mô đun đàn hồi (N/mm2)

Trang 25

một tỷ lệ nhất định tải trọng tác dụng ; vì vậy, hàm lượng sợi có ảnh hưởng nhất định trong quá trình tính toán

Ứng suất trong vùng đàn hồi : σfc = σcVc + 𝜂 σfVf

Ứng suất nứt khi phá hủy: σcr = σcVc + 𝜂f 𝜂l Ef εmuVf

Trong đó:

- σfc là ứng suất của bê tông cốt sợi thép trong vùng đàn hồi tuyến tính

- σcr là ứng suất tới hạn của sợi thép

- σc là ứng suất của bê tông

- σf là ứng suất sợi thép

- Vc là thể tích của bê tông

- Vf là thể tích của cốt sợi thép

- Ef là mô đun đàn hồi của sợi thép

- εmu là biến dạng vết nứt của bê tông

- 𝜂f là hệ số định hướng của sợi thép

- 𝜂l là hệ số ảnh hưởng của chiều dài sợi thép

2.4.1- Xác định các đặc tính của bê tông cốt sợi đồng phương:

Việc xác định các đặc tính của bê tông cốt sợi đồng phương thực chất là xác định

mô đung đàn hồi của vật liệu, bao gồm việc xây dựng các biểu thức của các mô đun độc lập khi đã biết các đặc trưng cơ học và hình học của các vật liệu thành phần: mô đun đàn hồi của sợi, chất kết dính vữa xi măng, hàm lượng sợi, độ dài sợi,…

2.4.1.1- Trường hợp sợi có chiều dài liên tục

Để xác định mô đun đàn hồi, ta giả thiết bê tông cốt sợi liên tục thỏa mãn một số điều kiện sau :

- Sợi cốt dài vô tận, phân bố đều và định hướng theo một chiều song song với nhau

- Thành phần và tổ chức của vật liệu làm nền được đảm bảo hoàn toàn đồng nhất

- Sự biến dạng của cốt sợi thép và nền bê tông xảy ra đồng thời, khi đó biến dạng của bê tông εc bằng biến dạng của sợi thép εf và bằng biến dạng của nền εn

Như vậy khi đặt tải trọng theo chiều song song với trục sợi, ta có :

Pc = Pf + Pn Hay σcAc = σfAf + σnAn Biến đổi theo thể tích ta được : σcFc = σfVf + σnVn

Trong đó :

- Pc, Pf, Pn : Lực tác dụng lên bê tông, lên sợi thép và nền

Trang 26

- Ac, Af, An : Diện tích tiết diện ngang tổng cộng tương ứng của bê tông, cốt sợi thép và nền

- Vf , Vn : Thể tích của cốt sợi thép và vật liệu nền

- σc, σf, σn : Ứng suất trong bê tông, trong sợi thép và trong nền tại thời điểm cốt sợi thép bị đứt

Theo định luật Hook σ = ε.E, ta có :

Efc = VfEf + ( 1 – Vf ).dσn/dεn

Trong đó dσn/dεn là độ nghiêng của đường cong biến dạng kéo của nền được xác định tại giá trị σn Khi giá trị σn nằm trong vùng đàn hồi của đường cong kéo, dσn/dεn có giá trị bằng mô đun đàn hồi của nền En

Như vậy, trong vùng đàn hồi thuần túy ta có :

Efc = VfEf + ( 1 – Vf ).En

2.4.1.2- Trường hợp sợi có chiều dài ngắn

Trong thực tế các sợi thép thường có chiều dài giới hạn, do vậy cần phải tính đến hiệu ứng đầu mút Đó là hiệu ứng phụ thuộc vào yếu tố hình học của sợi thép, gây ảnh hưởng mạnh đến độ bền của bê tông cốt sợi thép

Hình 2.20 Sơ đồ biến dạng nền khi đặt tải vào bê tông cốt sợi ngắn

Dưới tác dụng của ứng suất, sự biến dạng của nền dừng lại ở mút sợi Điều này cũng có nghĩa là tại vùng đầu mút sợi hiện tượng truyền tải trọng từ nền sang cốt sợi thép không xảy ra

Nếu sợi thép quá ngắn tức là chiều dài sợi thép Lf bé hơn chiều dài tới hạn Lth thì khi cường độ tác dụng lên cấu kiện sẽ không xảy ra hiện tượng đứt sợi mà sợi sẽ bị kéo tuột ra khỏi nền Vì vậy, độ bền của sợi thép phát huy tác dụng khi Lf > Lth

Ứng suất tác dụng trong nền tăng theo sự tăng của σc đến khi đạt giới hạn chảy, biến dạng dẻo nền bắt đầu xảy ra trước tại các vùng đầu mút sợi thép Theo mức độ tăng

Trang 27

lên của σc biến dạng dẻo trong nền cũng tăng theo và phần tải truyền sang cốt sợi thép càng lớn Quá trình tiếp tục cho đến khi ứng suất trong cốt sợi thép đạt σf thì sợi đứt

Hình 2.21 Điều kiện cân bằng ứng suất trong đoạn cốt sợi thép với chiều dài dx

Ứng suất kéo σf trong sợi thép đạt cực đại khi : σf max = 2q.Sτ

Trong đó :

- q=Lth/Lf là đại lượng đặc trưng cho hiệu ứng đầu mút của sợi thép có chiều dài giới hạn

- S=Lf/df là yếu tố hình học của sợi

Ứng suất tác dụng lên cốt sợi thép tại tiết diện ứng với mặt phẳng P được ký hiệu

σftb là đại lượng trung bình của các giá trị ứng suất trên tiết diện của từng sợi thép với chính mặt phẳng đó Như vậy ta có :

bằng giá trị độ giãn dài phá hủy của sợi thép εf Từ đó ta có :

Trang 29

2.4.2- Xác định các đặc tính của bê tông cốt sợi phân tán

Để xác định mối quan hệ giữa đặc trưng hình học sợi thép đến tính chất của vật liệu tổ hợp, ta phải xác định được chiều dài tới hạn của sợi cũng như mô đun đàn hồi của bê tông cốt sợi thép

Trong trường hợp cốt sợi có chiều dài liên tục dưới tác dụng của lực kéo P đủ lớn thì kết cấu sẽ bị nứt Tất cả các cốt sợi thép đặt song song, liên tục trong kết cấu sẽ chịu lực là P = σfAf ; Nếu như P ≤ RfAf thì kết cấu vẫn còn khả năng làm việc còn khi

P > RfAf thì các sợi thép sẽ bị đứt và kết cấu sẽ bị phá hoại

Trong trường hợp cốt sợi phân tán có chiều dài xác định khi chịu lực thì không phải tất cả các sợi đều tham gia chịu lực mà chỉ có một số sợi bị cắt bởi mặt phẳng phá hoại ( vết nứt ) mới tham gia chịu lực, các sợi này khi tính toán tham gia chịu lực phải xét đến xác suất giao nhau của sợi với mặt phẳng tính toán ( mặt phẳng phá hoại ) và hướng của các sợi do bố trí hỗn độn nên phải được quy đổi theo hướng tương đương với mặt phẳng tính toán Nếu chiều dài neo giữ các cốt sợi thép này không đủ thì khi chịu lực tác dụng vẫn có thể bị kéo tuột ra khỏi nền và khi đó các sợi thép này sẽ không tham gia chịu lực Vì vậy cần phải xác định chiều dài tối thiểu của sợi neo trong nền, ta có :

𝑙𝑛 =0,25𝑑𝑓𝑅𝑓

𝜏𝑢Trong đó :

- df là đường kính sợi thép

- Rf là cường độ sợi thép

- Rn là cường độ bê tông nền

- mn là hệ số điều kiện làm việc của sợi thép

- τu là độ bền dính bám của sợi thép với vật liệu nền bê tông, 𝜏𝑢 = 𝑅𝑛